লো-সোয়াপ হার্ডওয়্যার ব্যবহার করে উচ্চ সংবেদনশীল ফ্রি স্পেস অপটিক্যাল কমিউনিকেশন

1. ভূমিকা ও সংক্ষিপ্ত বিবরণ

এই গবেষণাটি সাইজ, ওজন এবং পাওয়ার (সোয়াপ) এর গুরুত্বপূর্ণ চ্যালেঞ্জ মোকাবেলার মাধ্যমে ফ্রি স্পেস অপটিক্যাল (এফএসও) কমিউনিকেশন সিস্টেমে একটি উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি প্রদর্শন করে। ঐতিহ্যগত উচ্চ সংবেদনশীল বা উচ্চ-ডাটা-রেট এফএসও প্রদর্শনীগুলি প্রায়শই বড় আকারের, অধিক বিদ্যুৎ খরচকারী সরঞ্জাম যেমন আরবিট্রারি ওয়েভফর্ম জেনারেটর, এক্সটার্নাল মডুলেটর বা ক্রায়োজেনিক রিসিভারের উপর নির্ভর করে। এই গবেষণাপত্রটি একটি কমপ্যাক্ট, সমন্বিত সমাধান উপস্থাপন করে যেখানে ট্রান্সমিটার হিসেবে সিএমওএস-নিয়ন্ত্রিত গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (গ্যান) মাইক্রো-লাইট এমিটিং ডায়োড (মাইক্রো-এলইডি) এবং রিসিভার হিসেবে একটি কমপ্লিমেন্টারি মেটাল-অক্সাইড-সেমিকন্ডাক্টর (সিএমওএস) সমন্বিত সিঙ্গল-ফোটন অ্যাভালাঞ্চ ডায়োড (এসপিএডি) অ্যারে ব্যবহার করা হয়েছে। সিস্টেমটি মাত্র ৫.৫ ওয়াটের কম মোট বিদ্যুৎ খরচ করে ১০০ এমবি/সি ডাটা রেট অর্জন করেছে একটি উল্লেখযোগ্য রিসিভার সংবেদনশীলতা -৫৫.২ ডিবিএম (প্রতি বিটে ~৭.৫টি শনাক্তকৃত ফোটনের সমতুল্য) সহ, যা কঠোর সোয়াপ সীমাবদ্ধতার অধীনে উচ্চ-কার্যকারিতা অপটিক্যাল লিঙ্কের সম্ভাব্যতা যাচাই করে।

2. মূল প্রযুক্তিসমূহ

সিস্টেমের কার্যকারিতা দুটি মূল সমন্বিত ফোটোনিক প্রযুক্তির উপর নির্ভরশীল।

3. সিস্টেম বাস্তবায়ন ও পদ্ধতি

4. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও কার্যকারিতা

চার্ট বর্ণনা: একটি বিইআর বনাম প্রাপ্ত অপটিক্যাল পাওয়ার প্লট সাধারণত দুটি বক্ররেখা দেখাবে, একটি ৫০ এমবি/সি এবং অন্যটি ১০০ এমবি/সি এর জন্য। ১০০ এমবি/সি বক্ররেখার তুলনায় ৫০ এমবি/সি বক্ররেখা একটি লক্ষ্য বিইআর (যেমন, ১e-৩) এ কম পাওয়ার লেভেলে (প্রায় -৬০.৫ ডিবিএম) পৌঁছাবে (প্রায় -৫৫.২ ডিবিএম), যা ডাটা রেট এবং সংবেদনশীলতার মধ্যে ট্রেড-অফ প্রদর্শন করে। প্লটটি স্ট্যান্ডার্ড কোয়ান্টাম লিমিট (এসকিউএল) থেকে কার্যকারিতার ব্যবধানকে হাইলাইট করবে।

ফলাফলগুলি স্পষ্টভাবে ডাটা রেট এবং সংবেদনশীলতার মধ্যে ট্রেড-অফ প্রদর্শন করে। ৫০ এমবি/সি এ, আরও উচ্চতর সংবেদনশীলতা -৬০.৫ ডিবিএম অর্জন করা হয়েছিল। ১০০ এমবি/সি এ সিস্টেমের কার্যকারিতা, ৬৩৫ এনএম আলোর জন্য এসকিউএল থেকে ১৮.৫ ডিবি এর মধ্যে রয়েছে বলে জানানো হয়েছে, যা -৭০.১ ডিবিএম।

5. প্রযুক্তিগত বিশ্লেষণ ও গাণিতিক কাঠামো

এমন একটি ফোটন-কাউন্টিং রিসিভারের জন্য মৌলিক সীমা হল সরাসরি শনাক্তকরণের জন্য স্ট্যান্ডার্ড কোয়ান্টাম লিমিট (এসকিউএল), যা ফোটন আগমনের পয়সনীয় পরিসংখ্যান থেকে উদ্ভূত। ওওকের জন্য ত্রুটির সম্ভাবনা নিম্নরূপ:

$P_e = \frac{1}{2} \left[ P(0|1) + P(1|0) \right]$

যেখানে $P(0|1)$ হল "১" পাঠানোর সময় "০" সিদ্ধান্ত নেওয়ার সম্ভাবনা (শনাক্তকরণ ব্যর্থ), এবং $P(1|0)$ হল "০" পাঠানোর সময় "১" সিদ্ধান্ত নেওয়ার সম্ভাবনা (মিথ্যা অ্যালার্ম, প্রায়শই ডার্ক কাউন্ট থেকে)। একটি এসপিএডির জন্য, শনাক্তকৃত কাউন্ট রেট $R_d$ ঘটনা ফোটন ফ্লাক্স $\Phi$ এর সাথে ডেড টাইম $\tau_d$ এর কারণে রৈখিক নয়:

$R_d = \frac{\eta \Phi}{1 + \eta \Phi \tau_d}$

যেখানে $\eta$ হল শনাক্তকরণ দক্ষতা। এই অ-রৈখিকতা এবং আফটারপালসিং এর মতো সংশ্লিষ্ট প্রভাবগুলি হল মূল কারণ যার জন্য এনআরজেডের উপর সরল আরজেড-ওওকে স্কিম বেছে নেওয়া হয়েছিল, কারণ এটি বিটগুলির মধ্যে আরও স্পষ্ট সময়গত বিভাজন প্রদান করে যা আইএসআই হ্রাস করে।

6. বিশ্লেষকের দৃষ্টিভঙ্গি: মূল অন্তর্দৃষ্টি ও সমালোচনা

মূল অন্তর্দৃষ্টি: গ্রিফিথস এবং সহকর্মীরা ব্যবহারিক উদ্ভাবন এর একটি মাস্টারক্লাস সম্পাদন করেছেন। তারা বিচ্ছিন্নভাবে রেকর্ড-ভাঙা সংবেদনশীলতার পিছনে ছোটেনি বরং একটি সমগ্রভাবে অপ্টিমাইজড সিস্টেম ডিজাইন করেছেন যেখানে সমন্বিত সিএমওএস ফোটোনিক্স সরাসরি নিম্ন-সোয়াপ ফর্ম ফ্যাক্টর সক্ষম করে। প্রকৃত যুগান্তকারী অর্জন শুধু -৫৫.২ ডিবিএম নয়; বরং সম্পূর্ণ ট্রান্সিভারটি একটি গৃহস্থালি এলইডি বাল্বের চেয়েও কম বিদ্যুৎ খরচ করার সময় সেই সংবেদনশীলতা অর্জন। এটি গল্পটিকে গবেষণাগারের কৌতূহল থেকে মোতায়েনযোগ্য সম্পদে রূপান্তরিত করে।

যুক্তিসঙ্গত প্রবাহ ও কৌশলগত পছন্দ: যুক্তিটি অত্যন্ত প্রতিরক্ষামূলক। ১) সমস্যা: উচ্চ-কার্যকারিতা এফএসও সোয়াপ-নিষিদ্ধ। ২) সমাধান অনুমান: মূল ফোটোনিক ফাংশনগুলির (মাইক্রো-এলইডি ড্রাইভার, কাউন্টার সহ এসপিএডি অ্যারে) সিএমওএস সমন্বয় হল একমাত্র কার্যকর পথ। ৩) যাচাইকরণ: প্রথমে সমন্বিত হার্ডওয়্যারের মৌলিক ক্ষমতা প্রমাণ করতে সম্ভাব্য সরলতম মডুলেশন (আরজেড-ওওকে) ব্যবহার করুন, সোয়াপ সুবিধাকে বিচ্ছিন্ন করুন। এটি যুগান্তকারী হার্ডওয়্যার-সচেতন এমএল গবেষণার দর্শনের সাথে মিলে যায়, যেমন "Efficient Processing of Deep Neural Networks: A Tutorial and Survey" (সেজ এবং সহকর্মী, প্রসিডিংস অফ দ্য আইইইই, ২০১৭) এর কাজ, যেখানে যুক্তি দেওয়া হয়েছে যে বাস্তব-বিশ্বের দক্ষতার জন্য অ্যালগরিদম এবং হার্ডওয়্যার অবশ্যই সহ-নকশা করা উচিত—একটি নীতি যা এখানে স্পষ্টভাবে প্রদর্শিত হয়েছে।

শক্তি ও ত্রুটি: প্রাথমিক শক্তি হল চিত্তাকর্ষক সিস্টেম-লেভেল প্রদর্শন। <৫.৫ওয়াট চিত্রটি ইউএভি বা উপগ্রহে মাঠে মোতায়েনের জন্য একটি শক্তিশালী যুক্তি। যাইহোক, গবেষণাপত্রের প্রধান ত্রুটি হল ডাটা ঘনত্বের উপর কৌশলগত নীরবতা। ১০০ এমবি/সি সেন্সর টেলিমেট্রির জন্য পর্যাপ্ত কিন্তু আধুনিক কমিউনিকেশনের জন্য তুচ্ছ। সরল ওওকে ব্যবহার, যদিও এই প্রুফ-অফ-কনসেপ্টের জন্য বুদ্ধিমানের কাজ, বর্ণালী দক্ষতার একটি বিশাল অংশ অপ্রয়োজনীয় রাখে। তারা ইঞ্জিনটি কাজ করে তা প্রমাণ করার জন্য একটি অত্যন্ত দক্ষ সাইকেল তৈরি করেছে, যখন শিল্পের একটি ট্রাক প্রয়োজন। তদুপরি, লিঙ্কের দৃঢ়তার বিশ্লেষণ (যেমন, বায়ুমণ্ডলীয় অশান্তি, নির্দেশ ত্রুটির প্রতি)—এফএসওর আচিলিস হিল—অনুপস্থিত, যা যেকোনো মাঠ-প্রস্তুত সিস্টেমের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ বাদ পড়া।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি: ১) গবেষকদের জন্য: অবিলম্বে পরবর্তী পদক্ষেপ হল সংবেদনশীলতা আরও একটি ডিবি ঠেলে দেওয়া নয়, বরং এই সমন্বিত প্ল্যাটফর্মটিকে উচ্চ-ক্রমের মডুলেশন (যেমন, পিপিএম, ডিপিএসকে) প্রয়োগ করা যাতে সোয়াপ আনুপাতিকভাবে বৃদ্ধি না করে বিটরেট বৃদ্ধি পায়। ২) বিনিয়োগকারী ও সমন্বয়কারীদের জন্য: এই প্রযুক্তিটি বিশেষ, উচ্চ-মূল্যের প্রয়োগের জন্য প্রস্তুত যেখানে নিম্ন ডাটা রেট, চরম সংবেদনশীলতা এবং অতি-নিম্ন সোয়াপ একত্রিত হয়: যেমন গভীর মহাকাশ কিউবস্যাট ক্রস-লিঙ্ক, সুরক্ষিত সামরিক ব্যাকপ্যাক ইউনিট, বা বিদ্যুৎ-সীমাবদ্ধ পরিবেশে আইওটি ব্যাকহল। মূল্য হল সমন্বয় প্যাকেজে, পৃথক উপাদানে নয়। ৩) সমালোচনামূলক পথ: সম্প্রদায়কে এখন এই মার্জিত গবেষণাগার সেটআপকে শক্তিশালী করার দিকে মনোনিবেশ করতে হবে—অশান্তি প্রশমনের জন্য অ্যাডাপটিভ অপটিক্স এবং দৃঢ় অধিগ্রহণ/ট্র্যাকিং সিস্টেম যুক্ত করে—একটি উজ্জ্বল প্রোটোটাইপ থেকে একটি পণ্যে রূপান্তরের জন্য।

7. বিশ্লেষণ কাঠামো ও উদাহরণ কেস

কাঠামো: সোয়াপ-সীমাবদ্ধ সিস্টেম কার্যকারিতা ট্রেড-অফ বিশ্লেষণ

এ ধরনের প্রযুক্তি মূল্যায়ন করতে, আমরা একটি সরল কিন্তু শক্তিশালী কাঠামো প্রস্তাব করি যা একটি সোয়াপ বাজেট সীমাবদ্ধতার বিরুদ্ধে দুটি অক্ষে কার্যকারিতা প্লট করে:

1. অক্ষ ওয়াই১: মূল কার্যকারিতা নির্দেশক (কেপিআই) – যেমন, ডাটা রেট (এমবি/সি), সংবেদনশীলতা (ডিবিএম), বা লিঙ্ক পরিসীমা (কিমি)।
2. অক্ষ ওয়াই২: সিস্টেম দক্ষতা – যেমন, প্রতি ওয়াটে কেপিআই (এমবি/সি/ওয়াট) বা প্রতি ইউনিট আয়তনে কেপিআই।
3. সীমাবদ্ধতা বুদবুদ আকার: মোট সোয়াপ বাজেট – যেমন, পাওয়ার (ওয়াট), আয়তন (সেমি³)।

কেস প্রয়োগ:

• এই কাজ (গ্রিফিথস এবং সহকর্মী): একটি অবস্থান দখল করবে যেখানে পরম ডাটা রেট (~১০০ এমবি/সি) মাঝারি কিন্তু ব্যতিক্রমীভাবে উচ্চ দক্ষতা (~১৮ এমবি/সি/ওয়াট) একটি খুব ছোট সোয়াপ বুদবুদের মধ্যে (<৫.৫ওয়াট, কমপ্যাক্ট ফর্ম)।
• ঐতিহ্যগত উচ্চ-সংবেদনশীল এফএসও (যেমন, ক্রায়োজেনিক ডিটেক্টর ব্যবহার করে): উচ্চতর পরম সংবেদনশীলতা (যেমন, -৬৫ ডিবিএম) দেখাতে পারে কিন্তু খুব কম দক্ষতা (ক্ষুদ্র এমবি/সি/ওয়াট) এবং একটি বিশাল সোয়াপ বুদবুদ।
• ঐতিহ্যগত উচ্চ-রেট এফএসও (যেমন, বড় ইডিএফএ/লেজার ব্যবহার করে): উচ্চ পরম ডাটা রেট (যেমন, ১০ জিবি/সি) দেখাবে কিন্তু মাঝারি থেকে দুর্বল দক্ষতা এবং একটি বড় সোয়াপ বুদবুদ।

এই চিত্রায়ন তাৎক্ষণিকভাবে প্রকাশ করে যে এই কাজের অবদান কোনো একক পরম কেপিআইতে জয়লাভ করার মধ্যে নয়, বরং উচ্চ-দক্ষতা, নিম্ন-সোয়াপ চতুর্ভুজ এর উপর আধিপত্য বিস্তারের মধ্যে, সম্পূর্ণ নতুন প্রয়োগের স্থান উন্মুক্ত করে।

8. ভবিষ্যতের প্রয়োগ ও উন্নয়নের দিকনির্দেশ

প্রদর্শিত সমন্বয় পথটি বেশ কয়েকটি রূপান্তরমূলক প্রয়োগের পথ প্রশস্ত করে:

• ন্যানো/মাইক্রো-স্যাটেলাইট কনস্টেলেশন (কিউবস্যাট): মহাকাশে ঝাঁক সমন্বয় এবং ডাটা রিলে করার জন্য অতি-কমপ্যাক্ট, নিম্ন-শক্তির আন্তঃ-উপগ্রহ লিঙ্ক (আইএসএল), যেখানে সোয়াপ সর্বোচ্চ গুরুত্বপূর্ণ।
• অনমানবিক বায়বীয় যান (ইউএভি) নেটওয়ার্ক: নজরদারি এবং কমিউনিকেশন রিলের জন্য নিরাপদ, উচ্চ-ব্যান্ডউইথ এয়ার-টু-এয়ার এবং এয়ার-টু-গ্রাউন্ড ডাটা লিঙ্ক।
• বহনযোগ্য ও নিরাপদ কৌশলগত যোগাযোগ: দৃশ্যরেখার বাইরে নিরাপদ যোগাযোগের জন্য ম্যান-প্যাক বা যানবাহন-মাউন্টেড সিস্টেম যা আরএফ আটক/জ্যামিং থেকে মুক্ত।
• শক্তি-সংগ্রহকারী আইওটি ব্যাকহল: দূরবর্তী সেন্সর নেটওয়ার্ক সংযোগ করা যেখানে বিদ্যুৎ প্রাপ্যতা ন্যূনতম।

মূল উন্নয়নের দিকনির্দেশ:

1. মডুলেশন অগ্রগতি: ওওকে থেকে আরও বর্ণালী-দক্ষ বা সংবেদনশীলতা-অপ্টিমাইজড স্কিম যেমন পালস পজিশন মডুলেশন (পিপিএম) বা ডিফারেনশিয়াল ফেজ-শিফট কীং (ডিপিএসকে) তে স্থানান্তর করা একই সিএমওএস প্ল্যাটফর্ম ব্যবহার করে।
2. তরঙ্গদৈর্ঘ্য স্কেলিং: টেলিকমিউনিকেশন তরঙ্গদৈর্ঘ্যে (যেমন, ১৫৫০ এনএম) মাইক্রো-এলইডি এবং এসপিএডি উন্নয়ন করা যাতে উন্নত বায়ুমণ্ডলীয় ট্রান্সমিশন এবং চোখের নিরাপত্তা নিশ্চিত হয়।
3. সহ-সমন্বয় ও সিস্টেম-অন-এ-চিপ (এসওসি): ড্রাইভার ইলেকট্রনিক্স, ডিজিটাল সিগন্যাল প্রসেসিং (ফরওয়ার্ড এরর সংশোধন, ক্লক রিকভারির জন্য ডিএসপি), এবং কন্ট্রোল লজিককে ফোটোনিক ডিভাইসের পাশাপাশি একটি একক সিএমওএস চিপে আরও সমন্বয় করা।
4. বীম স্টিয়ারিং সমন্বয়: মাইক্রো-ইলেক্ট্রোমেকানিক্যাল সিস্টেম (এমইএমএস) বা লিকুইড ক্রিস্টাল-ভিত্তিক বীম স্টিয়ারিং সরাসরি প্যাকেজে অন্তর্ভুক্ত করা দৃঢ় সারিবদ্ধকরণ এবং ট্র্যাকিংয়ের জন্য।

9. তথ্যসূত্র

1. Griffiths, A. D., Herrnsdorf, J., Almer, O., Henderson, R. K., Strain, M. J., & Dawson, M. D. (2019). High-sensitivity free space optical communications using low size, weight and power hardware. arXiv preprint arXiv:1902.00495.
2. Khalighi, M. A., & Uysal, M. (2014). Survey on free space optical communication: A communication theory perspective. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 16(4), 2231-2258.
3. Sze, V., Chen, Y. H., Yang, T. J., & Emer, J. S. (2017). Efficient processing of deep neural networks: A tutorial and survey. Proceedings of the IEEE, 105(12), 2295-2329. (সিস্টেম-লেভেল সহ-নকশা দর্শনের জন্য উদ্ধৃত)।
4. Henderson, R. K., Johnston, N., Hutchings, S. W., & Gyongy, I. (2019). A 256x256 40nm/90nm CMOS 3D-Stacked 120dB Dynamic-Range Reconfigurable Time-Resolved SPAD Imager. 2019 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) (pp. 106-108). IEEE. (উন্নত সিএমওএস-এসপিএডি সমন্বয়ের উদাহরণ)।
5. McKendry, J. J., et al. (2012). High-speed visible light communications using individual pixels in a micro light-emitting diode array. IEEE Photonics Technology Letters, 24(7), 555-557.
6. Shannon, C. E. (1948). A mathematical theory of communication. The Bell System Technical Journal, 27(3), 379-423. (সমস্ত যোগাযোগ সীমার অধীন মৌলিক তত্ত্ব)।